保德區塊煤層氣定向井黏附卡鉆的分析與預防

毛志新 楊 峰 鮮保安

（1.中國石油大學，北京 102249；2.中聯煤層氣國家工程研究中心有限責任公司，北京 100095；3.新疆油田公司采油工藝研究院，新疆克拉瑪依 834000）

山西保德區塊位于鄂爾多斯盆地東緣北部，河東煤田北段，南鄰臨興北區塊，東接河曲區塊。保1-1向1井和保1向2井是保德區塊最早施工的2口定向井，在鉆穿8/9號煤層時幾乎在同一天發生黏附卡鉆事故。這說明這一現象已成為保德區塊定向井施工過程中存在的共性問題。針對保德區塊定向井施工的這一共性問題展開研究。

1 工程概況

保1-1向1井是保德區塊保1-1叢式井組中的一口定向井，設計井深869 m，設計最大井斜角24.1°。保1向2井是保德區塊保1叢式井組中的一口定向井，設計井深929 m，設計最大井斜角32.8°。一開：?311.1 mm鉆頭+?273.1 mm表套；二開：?241.3 mm鉆頭+?177.8 mm套管。

1.1 事故經過

保1-1向1井在鉆進至896.53 m接單根后發生卡鉆，保1向2井在鉆進至923.59 m接單根后發生卡鉆。兩者卡鉆基本上在同一個層位，具有黏附卡鉆的特征：接完后能正常開泵，泵壓正常；上提方鉆桿遇卡，下放遇阻；方鉆桿不能回轉，沒有活動余地。發生卡鉆時的鉆具組合為：?241.3 mm鉆頭+?165 mm無磁鉆鋌×1根+?159 mm鉆鋌×6根+?127 mm鉆桿+?133 mm方鉆桿。

1.2 事故處理

保1-1向1井處理概況：7月3日往井內卡點處打入解卡溶液14 m3（解卡劑1.25 t，石粉3.5 t，柴油4.5 m3，水3.5 m3）靜止浸泡至7月8日未能解卡，7月9日第2次往井內卡點處打入解卡液25 m3（解卡劑2.5 t，石粉6.8 t，柴油11 m3，水6.7 m3）靜止浸泡至15日沒有解卡成功，15日開始倒扣、套銑，經過5 d反復套銑、倒扣，在20日24:00解卡。保1-1向1井黏附卡鉆造成的直接損失約20萬元，鉆井周期34 d。

保1向2井黏附卡鉆的處理采用了活動鉆具、使用解卡劑、油泡鉆具表面和反扣鉆具等措施，于15日24:00用反扣鉆具成功解卡。保1向2井黏附卡鉆造成的直接損失超過10萬元，鉆井周期50 d。保1-1向1井和保1向2井的卡鉆事故處理情況表明反扣鉆具是解決保德區塊黏附卡鉆事故行之有效的方法。

2 卡鉆原因分析

造成黏附卡鉆的原因是多方面的，有地質因素，也有工程因素。通過對保1-1向1井和保1向2井的錄井資料和測井資料分析，發現2口井在8/9#煤層下部約15 m處均存在一段滲透性很好的砂巖層。煤層氣鉆井要求使用低固相聚合物鉆井液，鉆井液的密度一般在1.05 g/cm3以下。通過分析鉆井液班報表，這2口井鉆進時鉆井液密度都超過了1.1 g/cm3，表明鉆井液固相含量高，在鉆進過程中容易形成濾餅，而且由于砂巖段巖石強度高、井眼比較規則，和鉆具接觸面積比較多，容易造成黏附卡鉆。保1向2井發生黏附卡鉆處井斜27°，保1-1向1井發生黏附卡鉆處井斜26°。如果在接單根時鉆具在井下靜止時間過長，鉆具就會在重力和鉆井液柱作用下靠在井壁上，這時候不及時活動鉆具就容易造成黏附卡鉆。

分析卡鉆原因，認為在鉆穿8/9#煤層后，由于煤層的滲透性好，造成鉆井液濾失量很大，從而使鉆井液性能大幅改變，固相含量大大增加，當鉆至孔隙度大、滲透性好的砂巖層時，在液柱壓力和地層壓力差的作用下，孔內鉆井液中的水滲透到地層中，鉆井液固相在孔壁上形成很厚的泥皮。由于保1-1向1和保1向2井都是定向井，孔內鉆具在自身重力作用下緊貼井壁，當鉆具在孔中靜止較長時間時，濾餅與鉆具間形成很大的摩擦力，從而使鉆具活動困難，造成黏附卡鉆。

3 預防黏附卡鉆的措施

3.1 鉆具組合

黏附卡鉆發生的一個重要原因是鉆具和井壁大面積接觸，所以在滿足井眼軌跡控制要求的前提下，應盡量簡化下部鉆具結構，減少鉆鋌數量，用加重鉆桿替代鉆鋌［1-2］，以盡可能減少鉆具與井壁的接觸。如果沒有加重鉆桿，也可以在每柱鉆鋌之間加上防黏接頭，以減少鉆具與井壁的接觸面積，大大降低黏附卡鉆的風險。

根據現場使用的鉆頭和鉆鋌尺寸，研制了外徑為210 mm的防黏接頭，見圖1。這種防黏接頭類似于小型穩定器。在穩斜鉆進時還可以起到保證井眼軌跡穩定和防止黏鉆的作用。

圖1 研制的防黏接頭

3.2 鉆井液

通過對保德井區卡鉆原因的分析，可以看出優質的鉆井液是關鍵。根據現場情況了解，保德區塊的地層條件相對比較穩定，所以可以使用低密度、低固相的優質鉆井液，以減少濾餅厚度，保持井眼穩定［3］。根據保德區塊地層條件，提出了一套適合保德區塊定向井施工的鉆井液體系。

鉆井液配方：40~45 kg/m3鈉質土粉+0.1%~ 0.2%NaOH+0.2%K-PAM+0.5%HV-CMC。K-PAM（聚丙烯酸鉀）主要作用是加快巖屑沉淀，兼有降失水和潤滑的作用；HV-CMC（羧甲基纖維素鈉）主要作用是增加鉆井液黏度，利于攜帶巖屑，降低濾失量，維持井壁穩定。

性能指標：黏度35 s，密度1.02~1.05 g/cm3，失水量小于8 mL，濾餅厚度小于1.0 mm。

3.3 施工工藝

雖然通過鉆具組合和鉆井液性能調整可以大大減小黏附卡鉆事故的發生概率，但是如果在施工工藝上不重視，也很容易造成黏附卡鉆事故。根據現場施工條件，提出以下預防黏附卡鉆的工藝措施［4-8］：（1）在接單根時應活動鉆具，盡可能減少鉆具在井下靜止時間，靜止時間不超過3 min；（2）為保證井眼軌跡圓滑，減少卡鉆事故，每鉆進 50 m進行短起下一次，以破壞濾餅；（3）測斜時，嚴格按儀器操作規程和作業指令執行，認真活動鉆具，防止測斜卡鉆；（4）施工過程中應勤撈砂，避免巖屑反復在井內循環；（5）加強設備檢修，避免在正常鉆進過程中由于設備故障而引起的黏附卡鉆；（6）增加鉆井液循環槽長度和泥漿池容積，以利于巖屑充分沉淀，減少鉆井液固相含量；（7）如果有條件的話，可以使用螺旋鉆鋌、加重鉆桿，減少鉆具與井壁的接觸面積。

4 現場試驗

保德區塊2010年總共部署了21口定向井，保1-1向1井和保1向2井是保德井區最早施工的2口定向井。為了檢查研究的鉆具組合、鉆井液配方以及施工工藝的使用效果，在剩下的19口定向井進行了現場試驗。這些定向井采用了與保1-1向1井和保1向2井相同的井身結構以及鉆井液體系。在施工過程中，鉆穿8/9#煤層后提鉆，在每柱鉆鋌之間接上設計的防黏接頭，以減少鉆具與井壁的接觸。

同時，按照研究結果重新調配了鉆井液配方。在鉆進過程中嚴密監測鉆井液各項性能指標：密度、黏度、失水量、濾餅厚度以及含砂量等，確保各項性能指標滿足要求。在鉆井過程中嚴格按提出的施工工藝措施進行施工，保證了鉆井過程的順利進行。

通過使用研制的防黏接頭、鉆井液配方和施工工藝，19口定向井施工過程中沒有發生黏附卡鉆，鉆井周期也縮短至10 d左右。

5 結論

（1）保德區塊黏附卡鉆主要是由于在鉆進8/9#煤層下面滲透性好的砂巖層時因鉆井液固相含量高形成厚濾餅而引起的。

（2）研制的防黏接頭和鉆井液配方經過現場試驗，可以成功應用于保德區塊定向井鉆井施工。

（3）提出的黏附卡鉆預防施工工藝和現場緊密結合，具有實際可操作性。

（4）建議鉆井隊配備濾失儀、含砂量測定儀等常規鉆井液性能測試儀，以加強鉆井液性能監測，消除安全隱患。

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